Дыхательная система человека состоит из дыхательных путей (верхних и нижних) и легких. Дыхательная система отвечает за газообмен между организмом и окружающей средой. Как устроена дыхательная система и как она работает?
Предполагается, что дыхательная система человека обеспечивает дыхание - процесс газообмена, а именно кислорода и углекислого газа, между организмом и окружающей средой. Каждой клетке нашего тела нужен кислород для правильного функционирования и выработки энергии. Процесс дыхания делится на:
- внешнее дыхание - перенос кислорода в клетки
- внутреннее дыхание - внутриклеточное
Внешнее дыхание происходит за счет синхронизации дыхательной системы с нервными центрами и делится на ряд процессов:
- вентиляция легких
- диффузия газа между альвеолярным воздухом и кровью
- транспорт газов через кровь
- диффузия газа между кровью и клетками
Для просмотра этого видео включите JavaScript и рассмотрите возможность обновления до веб-браузера, поддерживающего видео HTML5.
Строение дыхательной системы
Дыхательные пути состоят из:
- верхние дыхательные пути, т.е. носовая полость (наш кавум) и горло (глотка)
- нижние дыхательные пути: гортань (гортань), трахея (трахея), бронх (бронхи) - правые и левые, которые в дальнейшем делятся на более мелкие ветви, а самые мелкие превращаются в бронхиолы (бронхиолы)
Последняя часть дыхательных путей ведет к альвеолам (легочные альвеолы). Вдыхаемый воздух проходит через дыхательные пути и очищается от пыли, бактерий и других мелких загрязнений, увлажняется и нагревается. С другой стороны, структура бронхов за счет комбинации хрящевых, эластичных и гладкомышечных элементов позволяет регулировать их диаметр. В горле пересекаются дыхательная и пищеварительная системы. По этой причине при глотании дыхание прекращается и дыхательные пути закрываются через надгортанник.
- легкие - парные органы, расположенные в груди.
С анатомической и функциональной точки зрения легкие делятся на доли (левое легкое на две доли и правое на три), доли далее делятся на сегменты, сегменты на дольки и дольки на группы.
Каждое легкое окружено двумя слоями соединительной ткани - париетальной плеврой (париетальная плевра) и легочной плевре (легочная плевра). Между ними находится плевральная полость (полые плевры), а жидкость в нем способствует сращению легкого, покрытого легочной плеврой, с париетальной плеврой, слитой с внутренней стенкой грудной клетки.В месте входа бронхов в легкие находятся легочные полости, в которые, кроме бронхов, входят также артерии и легочные вены.
Кроме того, в сложный процесс дыхания вовлечены скелетно-поперечно-полосатая мускулатура, кровеносная и сердечно-сосудистая системы, нервные центры.
Вентиляция легких
Суть вентиляции заключается в том, чтобы втягивать атмосферный воздух в альвеолы. Поскольку воздух всегда течет от более высокого давления к более низкому, соответствующие группы мышц участвуют в каждом вдохе и выдохе, обеспечивая всасывающие и давящие движения грудной клетки.
В конце выдоха давление в альвеолах равно атмосферному давлению, но когда вы втягиваете воздух, диафрагма сжимается (диафрагма) и наружных межреберных мышц (musculi intercostales externi), благодаря чему объем груди увеличивается и создается вакуум, всасывающий воздух.
Когда потребность в вентиляции увеличивается, активируются дополнительные инспираторные мышцы: грудино-ключично-сосцевидные мышцы (musculi sternocleidomastoidei), грудные мышцы (малые мышцы грудной клетки), передние зубчатые мышцы (musculi serrati anteriores), трапециевидные мышцы (musculi trapezii), поднимающие мышцы лопатки (musculi levatores scapulae), большие и малые мышцы параллелограмма (musculi rhomboidei maiores et minores) и косые мышцы (musculi слились).
Следующий шаг - выдох. Он начинается, когда инспираторные мышцы расслабляются на пике вдоха. Обычно это пассивный процесс, поскольку силы, создаваемые растянутыми эластичными элементами в легочной ткани, достаточны для уменьшения объема грудной клетки. Давление в альвеолах поднимается выше атмосферного, и возникающая разность давлений удаляет воздух наружу.
Ситуация несколько иная при сильном выдохе. Мы имеем дело с этим, когда ритм дыхания медленный, когда выдох требует преодоления повышенного сопротивления дыханию, например, при некоторых заболеваниях легких, но также и при фонационной активности, особенно при пении или игре на духовых инструментах. Стимулируются мотонейроны выдыхательных мышц, в том числе: внутренние межреберные мышцы (musculi intercostales interni) и мышц передней брюшной стенки, особенно прямых мышц живота (Musculi recti abdominis).
Частота дыхания
Частота дыхания сильно варьируется и зависит от множества различных факторов. В состоянии покоя взрослый человек должен дышать 7-20 раз в минуту. Факторы, приводящие к учащению дыхания, профессионально называемому тахипноэ, включают упражнения, проблемы с легкими и внелегочный респираторный дистресс. Однако брадипноэ, то есть значительное уменьшение количества вдохов, может быть результатом неврологических заболеваний или центральных побочных эффектов наркотических средств. В этом отношении дети отличаются от взрослых: чем меньше малыш, тем выше физиологическая частота дыхания.
Объемы и емкость легких
- TLC (общая емкость легких) - объем, который находится в легком после самого глубокого вдоха
- IC - способность вдоха - втягивается в легкие во время самого глубокого вдоха после спокойного выдоха
- IRV (резервный объем вдоха) - резервный объем вдоха - втягивается в легкие во время максимального вдоха, выполняемого на вершине свободного вдоха
- TV (дыхательный объем) - дыхательный объем - вдох и выдох при свободном вдохе и выдохе
- FRC - функциональная остаточная емкость - остается в легких после медленного выдоха.
- ERV (резервный объем выдоха) - резервный объем выдоха - удаляется из легких во время максимального выдоха после свободного вдоха
- RV (остаточный объем) - остаточный объем - всегда остается в легких во время максимального выдоха
- VC (жизненная емкость) - жизненная емкость легких - удаляется из легких после максимального вдоха при максимальном выдохе
- IVC (inspiratory vital capacity) - жизненная емкость вдоха - втягивается в легкие после самого глубокого выдоха на максимальном вдохе; может быть немного выше, чем VC, потому что при максимальном выдохе с последующим максимальным вдохом альвеолярные проводники закрываются до того, как воздух, заполняющий пузырьки, будет удален
При свободном вдохе дыхательный объем составляет 500 мл. Однако не весь этот объем достигает альвеол. Около 150 мл заполняет дыхательные пути, в которых нет условий для газообмена между воздухом и кровью, то есть полость носа, глотку, гортань, трахею, бронхи и бронхиолы. Это называется анатомическое мертвое пространство дыхательных путей. Оставшиеся 350 мл смешивают с воздухом, составляющим остаточную функциональную емкость, одновременно нагревая и насыщая водяным паром. В альвеолах, опять же, не весь воздух газообразный. В капиллярах стенок некоторых фолликулов кровь отсутствует или течет слишком мало, чтобы использовать весь воздух для газообмена. Это физиологическое мертвое пространство дыхательных путей, которое у здоровых людей невелико. К сожалению, при болезненных состояниях он может значительно увеличиваться.
Средняя частота дыхания в состоянии покоя составляет 16 в минуту, а дыхательный объем - 500 мл, умножая эти два значения, мы получаем легочную вентиляцию. Из этого следует, что в минуту вдыхается и выдыхается около 8 литров воздуха. Во время быстрых и глубоких вдохов значение может значительно увеличиваться, даже от десятка до двадцати раз.
Все эти сложные параметры: емкости и объемы были введены не только для того, чтобы запутать нас, но и имели важное применение в диагностике заболеваний легких. Существует тест - спирометрия, который измеряет: VC, FEV1, FEV1 / VC, FVC, IC, TV, ERV и IRV. Это важно для диагностики и мониторинга таких заболеваний, как астма и ХОБЛ.
Диффузия газа между альвеолярным воздухом и кровью
Альвеолы - это основная структура, из которой состоят легкие. Их около 300-500 миллионов, каждый диаметром от 0,15 до 0,6 мм, а их общая площадь составляет от 50 до 90 м².
Стенки фолликулов состоят из тонкого плоского однослойного эпителия. Помимо клеток, составляющих эпителий, фолликулы содержат еще два типа клеток: макрофаги (клетки кишечника), а также фолликулярные клетки типа II, вырабатывающие сурфактант. Это смесь белков, фосфолипидов и углеводов, вырабатываемых жирными кислотами крови. Поверхностно-активное вещество, уменьшая поверхностное натяжение, предотвращает слипание альвеол и снижает силы, необходимые для растяжения легких. Снаружи пузыри покрыты сетью капилляров. Капилляры, попадая в альвеолы, несут кровь, богатую углекислым газом, воду, но с небольшим количеством кислорода. Напротив, в альвеолярном воздухе парциальное давление кислорода высокое, а парциальное давление углекислого газа низкое. Диффузия газа подчиняется градиенту давления частиц газа, поэтому капиллярные эритроциты захватывают кислород из воздуха и избавляются от углекислого газа. Частицы газа должны проходить через альвеолярную стенку и стенку капилляра, а точнее через: слой жидкости, покрывающий альвеолярную поверхность, альвеолярный эпителий, базальную мембрану и эндотелий капилляров.
Транспорт газов через кровь
- кислородный транспорт
Сначала кислород физически растворяется в плазме, но затем он диффундирует через оболочку в красные кровяные тельца, где связывается с гемоглобином с образованием оксигемоглобина (оксигенированный гемоглобин). Гемоглобин играет очень важную роль в транспортировке кислорода, потому что каждая его молекула соединяется с 4 молекулами кислорода, таким образом повышая способность крови переносить кислород до 70 раз. Количество переносимого кислорода, растворенного в плазме, настолько мало, что не имеет отношения к дыханию. Благодаря системе кровообращения кровь, насыщенная кислородом, достигает каждой клетки тела.
- перенос углекислого газа
Углекислый газ из тканей попадает в капилляры и транспортируется в легкие:
- ок. 6% физически растворено в плазме и цитоплазме эритроцитов
- около 6% связано со свободными аминогруппами белков плазмы и гемоглобином (в виде карбаматов)
- большая часть, то есть около 88%, в виде ионов HCO3, связанных с бикарбонатной буферной системой плазмы и эритроцитов.
Диффузия газа между кровью и клетками
И снова молекулы газа в тканях проходят по градиенту давления: кислород, выделяемый гемоглобином, диффундирует к тканям, а углекислый газ диффундирует в обратном направлении - из клеток в плазму. Из-за различий в потребности различных тканей в кислороде также существуют различия в напряжении кислорода. В тканях с интенсивным метаболизмом напряжение кислорода низкое, поэтому они потребляют больше кислорода, тогда как дренируемая венозная кровь содержит меньше кислорода и больше углекислого газа. Артериовенозная разница в содержании кислорода - параметр, определяющий степень потребления кислорода тканями. Каждая ткань снабжается артериальной кровью с одинаковым содержанием кислорода, в то время как венозная кровь может содержать его больше или меньше.
Внутреннее дыхание
Дыхание на клеточном уровне - это многоступенчатый биохимический процесс, который включает окисление органических соединений, в результате которого вырабатывается биологически полезная энергия. Это фундаментальный процесс, который происходит даже при остановке других метаболических процессов (альтернативные анаэробные процессы неэффективны и имеют ограниченное значение).
Ключевую роль играют митохондрии - клеточные органеллы, которые получают молекулы кислорода, диффундирующие внутри клетки. На внешней мембране митохондрий находятся все ферменты цикла Кребса (или цикла трикарбоновых кислот), а на внутренней мембране находятся ферменты дыхательной цепи.
В цикле Кребса метаболиты сахара, белков и жиров окисляются до двуокиси углерода и воды с выделением свободных атомов водорода или свободных электронов. Далее в дыхательной цепи - последней стадии внутриклеточного дыхания - путем передачи электронов и протонов последовательным носителям синтезируются высокоэнергетические соединения фосфора. Самый важный из них - АТФ, то есть аденозин-5'-трифосфат, универсальный переносчик химической энергии, используемой в метаболизме клеток. Он потребляется многочисленными ферментами в таких процессах, как биосинтез, движение и деление клеток. Обработка АТФ в живых организмах происходит непрерывно, и, по оценкам, каждый день человек преобразует количество АТФ, сопоставимое с его массой тела.
Регуляция дыхания
В расширенном ядре находится дыхательный центр, который регулирует частоту и глубину дыхания. Он состоит из двух центров с противоположными функциями, построенных двумя типами нейронов. Оба расположены внутри ретикулярной формации. В одиночном ядре и в передней части заднего неоднозначного блуждающего нерва находится инспираторный центр, который посылает нервные импульсы в спинной мозг, к мотонейронам инспираторных мышц. С другой стороны, в неоднозначном ядре блуждающего нерва и в задней части заднего неоднозначного блуждающего нерва находится центр выдоха, который стимулирует двигательные нейроны выдыхательных мышц.
Нейроны центра вдоха посылают залп нервных импульсов несколько раз в минуту, которые проходят по ветви, спускающейся к мотонейронам в спинном мозге, и одновременно с ветвью аксона, восходящей к нейронам ретикулярной формации моста. Есть пневмотаксический центр, который на 1-2 секунды подавляет инспираторный центр, а затем снова стимулирует инспираторный центр. За счет последовательных периодов стимуляции и торможения инспираторного центра обеспечивается ритмичность дыхания.
Инспираторный центр регулируется нервными импульсами, возникающими при:
- хеморецепторы шейных и аортальных клубочков, которые реагируют на повышение концентрации углекислого газа, концентрации ионов водорода или значительное снижение концентрации кислорода в артериальной крови; импульсы от пучков аорты проходят через языкоглоточный и блуждающий нервы. и эффект заключается в ускорении и углублении вдоха
- интерорецепторы легочной ткани и проприорецепторы грудной клетки;
- между гладкими мускулами бронхов находятся надувные механорецепторы, которые стимулируются растяжением легочной ткани, что вызывает выдох; затем уменьшение растяжения легочной ткани во время выдоха активирует другие механорецепторы, на этот раз дефляционные, которые запускают вдох; Это явление называется рефлексами Геринга-Брейера;
- Положение грудной клетки на вдохе или выдохе раздражает соответствующие проприорецепторы и изменяет частоту и глубину вдоха: чем глубже вдох, тем глубже следующий за ним выдох;
- центры верхних уровней головного мозга: кора головного мозга, лимбическая система, центр терморегуляции в гипоталамусе
